專利名稱：：綜合利用水解物的能量和物料含量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種綜合利用酶水解可更新原料獲得的水解物和固體的能量和物料含量(materialcontents)的方法，其中所得水解液用作發(fā)酵的碳源，并且未水解的固體被送去生產(chǎn)沼氣(biogas)。
背景技術(shù)：
：借助微生物發(fā)酵制備目標(biāo)物質(zhì)，例如氨基酸、維生素和類胡蘿卜素的方法為公知技術(shù)。根據(jù)不同加工條件，使用不同碳源。它們包括從純蔗糖到得自甜菜的生糖蜜和糖，所謂"高級(jí)糖蜜(high-testmolasses)"(轉(zhuǎn)化糖糖蜜(iiwertedsugarmolasses))，直至并包括得自淀粉水解物的葡萄糖。就生物技術(shù)生產(chǎn)L-賴氨酸而言，還提及將乙酸和乙醇作為可以工業(yè)規(guī)模使用白勺共底物(cosubstrates)(Pfefferle等，BiotechnogicalManufactureofLysine,AdvancesinBiochemicalEngineering/Biotechnology,Vol.79(2003》59-112)。微生物發(fā)酵用的一個(gè)重要碳源是淀粉。在其可用作發(fā)酵時(shí)的碳源之前，首先需要在前面的反應(yīng)步驟中經(jīng)液化和糖化。為此，淀粉得自天然淀粉源例如馬鈴薯、木薯、谷物，例如小麥、玉米、大麥、黑麥或者大米，典型地以預(yù)純化形式獲得，然后依次酶促液化和糖化，然后用于實(shí)際發(fā)酵制得目標(biāo)物質(zhì)。最近技術(shù)關(guān)注到計(jì)劃用可更新資源制備發(fā)酵介質(zhì)的改進(jìn)方法(EP1205557、US2002/079268)。還描述了一種發(fā)酵方法，它可以使用淀粉作為碳源(WO2005116228)。發(fā)酵不僅形成所需產(chǎn)物，而且通常還有生物質(zhì)(biomass)。該生物質(zhì)或者作為廢物處理掉或者需以另一方式利用并因其形成而降低產(chǎn)率(產(chǎn)物/反應(yīng)物)。在發(fā)酵制備乙醇中，因此經(jīng)常產(chǎn)生復(fù)合動(dòng)物飼料(complexanimalfeeds)作為副產(chǎn)物。在所謂的干磨過程中，由此制得約65%的乙醇，僅在美國(guó)就產(chǎn)生接近4噸的DDGS(蒸餾器干燥顆粒和可溶物)(Lyons2003,Jacques2003)?？傊^的干磨法可以描述為如下在磨粉機(jī)中將谷物粒磨成細(xì)粒并與液體混合。該漿液然后用液化酶處理以將谷物水解成糊精，它是低聚糖的混合物。淀粉用液化酶(已知有oc-淀粉酶)的水解，是在谷物的膠凝溫度(gelationtemperature)以上進(jìn)行的。漿液在適當(dāng)溫度下沸騰，使得淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)破裂并引發(fā)膠凝。最終，形成的糊精在糖化過程中被胞外酶葡糖淀粉酶進(jìn)一步水解成葡萄糖。所得的DDGS是乙醇生產(chǎn)時(shí)的主要副產(chǎn)物。約80。/。的該DDGS喂給了反芻動(dòng)物。這意味著如果在加工設(shè)備附近有足夠的作為DDGS的接受者的反芻動(dòng)物喂養(yǎng)業(yè)務(wù)，那么該利用在經(jīng)濟(jì)上才是可行的。然而，發(fā)酵制備乙醇的副產(chǎn)物用作復(fù)合動(dòng)物飼料需要與適宜用作動(dòng)物詞料添加劑的目標(biāo)物質(zhì)的制備區(qū)分開。例如，在這些方法中，發(fā)酵產(chǎn)生氨基酸或者維生素作為主要產(chǎn)物并用于動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)。在發(fā)酵過程中，還獲得復(fù)合副產(chǎn)物，這包括生物質(zhì)。一種利用這些副產(chǎn)物的方法是由發(fā)酵液(fermentationbroth)制備肥料(Ideka2003)。就賴氨酸的制備而言，還使用發(fā)酵之后的產(chǎn)物不經(jīng)純化而是將該生物質(zhì)以動(dòng)物飼料添加劑的成分銷售的方法(Biolys⑧US5,431,933)。作為利用所得生物質(zhì)的另一想法，已公開將生物質(zhì)再循環(huán)(Blaesen等2005)。在該方法中，在發(fā)酵過程中，通過將獲得的生物質(zhì)作為反應(yīng)物在發(fā)酵中循環(huán)，可以使平均產(chǎn)率增加并且可以使處理掉的廢物量降低?，F(xiàn)有技術(shù)公開了通過細(xì)菌厭氧降解有機(jī)物形成甲烷占50-85%的沼氣。由于沼氣中貯藏以及獲得的能量得自可更新的有機(jī)物，因此它被稱為可更新的。此外，與天然氣、礦物油或煤的燃燒不同，對(duì)沼氣的積極利用是二氧化碳中性的，這是由于形成的二氧化碳在天然碳循環(huán)內(nèi)移動(dòng)并在植物生長(zhǎng)過程中被植物再次消耗。沼氣是高價(jià)值能量源，即它可以許多方式被利用并且效率高。目前沼氣生產(chǎn)的主要攝入源是用于發(fā)電。通過所謂的能-熱偶聯(lián)，沼氣以經(jīng)典方式用作驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生主電流(mainscurrent)(交流電)的內(nèi)燃機(jī)的燃料。得自冷卻系統(tǒng)的廢機(jī)熱和同時(shí)獲得的廢氣可用于加熱。作為高效發(fā)電的另一方式，也已經(jīng)使用燃料電池。沼氣也可以由制備L-賴氨酸的廢物產(chǎn)生(Viesturs等1987Pro"Latv.Acad.Sci8(841):102-105)。在一個(gè)集成方法中，進(jìn)一步的方法是可以平行產(chǎn)生肉(或奶)、乙醇、動(dòng)物詞料和沼氣(生物肥料)(US2005/0153410)。厭氧發(fā)酵過程中使用含蛋白質(zhì)的共反應(yīng)物的情況下，可能遇到困難，這是由于在有二價(jià)陽(yáng)離子的存在下改變pH時(shí)，蛋白質(zhì)可能經(jīng)受結(jié)構(gòu)變化，這會(huì)防礙在后酶的攻擊(Mulder2003，Biologicalwastewatertreatmentforindustrialeffluents;technologyandoperation,PaquesB.V.，Balk3.1Fermentation)0有機(jī)物降解為沼氣的典型過程包括基本的四個(gè)階段。在第一階段(水解)中，好氧菌借助酶將高分子量有機(jī)物(蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、纖維素)轉(zhuǎn)變成低分子量化合物例如單糖、氨基酸、脂肪酸和水。水解菌分泌的酶粘附到菌的外面(所謂的胞外酶)并將該底物的有機(jī)成分水解分成小的水溶性分子。在第二階段(酸化)，產(chǎn)酸菌(acid-formingbacteria)將各個(gè)分子降解并胞內(nèi)轉(zhuǎn)化。它們可能是消耗剩余氧的好氧菌由此提供甲烷菌所需的厭氧條件。這里，主要獲得短鏈脂肪酸、低分子量醇和氣體。在第三階段(形成醋酸)，醋酸菌由有機(jī)酸產(chǎn)生形成甲烷的原料(醋酸、二氧化碳和氫)。在第四階段(甲烷形成)，甲烷菌形成甲烷(Eder和Schulz2006)。現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是，就如能量成本一樣，提供碳源的成本對(duì)精細(xì)化學(xué)工業(yè)的利潤(rùn)的影響非常大。例如，在L-賴氨酸的制備成本中，最重要的項(xiàng)是碳源(Pfefferie等2003)。糖的價(jià)格變化大并且在發(fā)酵過程的經(jīng)濟(jì)活力中具有主要影響，特別是在低成本物質(zhì)產(chǎn)品的情況下，例如谷氨酸一鈉、L-賴氨酸-HCl和L-蘇氨酸，其市場(chǎng)很大地由競(jìng)爭(zhēng)決定(Ikeda2003)。然而，提供來自有益可更新原料的適合發(fā)酵利用的碳源在工業(yè)上不是不重要。在水解生產(chǎn)這些碳源時(shí)，獲得的纖維植物殘余物作為廢物扔掉。此外，在發(fā)酵過程中形成的生物質(zhì)作為廢物被扔掉。當(dāng)選擇沼氣產(chǎn)生作為處理過程時(shí)，在所用厭氧發(fā)酵過程中使用含蛋白質(zhì)的共反應(yīng)物可能遇到困難。當(dāng)有二價(jià)陽(yáng)離子存在下改變pH時(shí)，蛋白質(zhì)會(huì)經(jīng)受結(jié)構(gòu)變化，這樣會(huì)防礙在后酶的攻擊(Mulder2003)。另外，原料質(zhì)量的變化阻礙了沼氣生產(chǎn)中穩(wěn)定和可再現(xiàn)的過程方式。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種由可更新原料制備目標(biāo)物質(zhì)的綜合方法，其中產(chǎn)生較少量的廢物并且可以更好地利用原料的能量。本發(fā)明提供了一種綜合利用酶水解可更新原料獲得的溶液和固體的能量和物料含量的方法，包括a)制備含有至少一種可被微生物利用的碳源的含水水解混合物，，所述微生物用于從可更新原料通過酶水解制備目標(biāo)物質(zhì)，b)使用該含水混合物通過發(fā)酵制備優(yōu)選具有至少3個(gè)碳原子或者至少2個(gè)碳原子和至少1個(gè)氮原子的目標(biāo)物質(zhì)，其中c)在步驟b)之前，去除步驟a)獲得的水解混合物中的固體成分，和d)這些固體成分，特別是纖維種類，經(jīng)過厭氧共發(fā)酵用于產(chǎn)生沼氣。該沼氣可以經(jīng)燃燒轉(zhuǎn)變成熱能或者電能。同時(shí)，步驟d)中也形成熱量(參見圖l)。有用的淀粉源尤其包括干谷物或種子，在干燥狀態(tài)下的淀粉含量為至少40重量％，優(yōu)選至少50重量％。它們可以在許多大規(guī)模培養(yǎng)的谷物植物中找到，例如玉米、小麥、燕麥、大麥、黑麥、大米和各種粟類，例如高粱(sorghum)和西非高粱(milo)。優(yōu)選的淀粉源是谷物，更優(yōu)選選自玉米、大麥和小麥。原理上，本發(fā)明的方法也可以用其它淀粉源進(jìn)行，例如馬鈴薯、木薯或含不同淀粉的水果或種子的混合物。經(jīng)酶水解制得的混合物包括糖，優(yōu)選單糖例如己糖和戊糖，例如葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、山梨糖、木糖、阿拉伯糖和核糖，特別是葡萄糖。除葡萄糖之外的單糖的比例可以隨所用淀粉源和其中存在的不含淀粉的成分而變化。這些水解方法在現(xiàn)有技術(shù)中為已知的(WO2005/116228)。除去剩余固體之后由水解混合物制得的含糖營(yíng)養(yǎng)介質(zhì)用于發(fā)酵制備具有至少3個(gè)碳原子或者至少2個(gè)碳原子和至少1個(gè)氮原子的目標(biāo)物質(zhì)。為此，在除去固體之后，步驟a)制得的混合物送到b)的發(fā)酵。發(fā)酵方法可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的典型方式。下面的術(shù)語(yǔ)"目標(biāo)物質(zhì)"包括有機(jī)一-、二-和三羧酸，任選具有l(wèi)個(gè)或多個(gè)羥基，例如l、2、3或4個(gè)，優(yōu)選具有3-10個(gè)碳原子，例如酒石酸、衣康酸、琥珀酸、富馬酸、馬來酸、2，5-呋喃二羧酸、3-羥基丙酸、戊二酸、乙酰丙酸、乳酸、丙酸、葡糖酸、烏頭酸和二氨基庚二酸、檸檬酸；特別是蛋白氨基酸和非蛋白氨基酸，優(yōu)選賴氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和蘇氨酸；嘌呤和嘧啶堿；核苷和核苷酸，例如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和腺苷5'-單磷酸(AMP);脂類；優(yōu)選具有10-22個(gè)碳原子的飽和與不飽和脂肪酸，例如，亞麻酸、二高-Y-亞麻酸、花生四烯酸、二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸；優(yōu)選具有3-8個(gè)碳原子的二醇，例如丙二醇和丁二醇；具有3個(gè)或多個(gè)(例如3、4、5或者6個(gè))OH基團(tuán)的多元醇，例如甘油、山梨醇、甘露醇、木糖醇和阿拉伯糖醇；具有至少4個(gè)碳原子(例如具有4-22個(gè)碳原子)的相對(duì)長(zhǎng)鏈醇，例如丁醇；碳水化合物，例如透明質(zhì)酸和海藻糖；芳香化合物，例如芳香胺、香蘭素和靛藍(lán)；維生素和維生素原，例如抗壞血酸、維生素B6、維生素B^和核黃素；蛋白質(zhì)，例如酶、類胡蘿卜素，例如番茄紅素、(3-胡蘿卜素、蝦青素、玉米黃素和角黃素；優(yōu)選具有3-10個(gè)碳原子并任選具有l(wèi)個(gè)或多個(gè)羥基的酮類，例如丙酮和羥基丁酮；內(nèi)酯，例如y-丁內(nèi)酯、環(huán)糊精、生物聚合物，例如多羥基乙酸酯類、聚酯類、多糖類、聚類異戊二烯類、聚酰胺類、多羥基鏈烷酸酯，例如聚-3-羥基丁酸和與其它有機(jī)羥基羧酸例如3-羥基戊酸、4-羥基丁酸和其它的共聚酯類，它們描述在Steinbiichel(編輯)，Biopolymers,1stedition,2003,Wiley-VCH，Weinheim和其中引證的文獻(xiàn)中；和前述化合物的前體和衍生物。Gutcho在ChemicalsbyFermentation,NoyesDataCorporation(1973)，ISBN:0818805086中描述了用作目標(biāo)物質(zhì)的其它化合物。本發(fā)明所用的微生物優(yōu)選選自棒桿菌屬(Corynebacterium)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、阿舒囊霉屬(Ashbya)、埃希氏菌屬(Escherichia)、曲霉屬(Aspergillus)、產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)、放線桿菌屬(Actinobacillus)、厭氧螺菌屬(Anaerobiospirillum)、乳桿菌屬(Lactobacillus)、丙酸桿菌屬和梭菌屬(Propionibacterium)，特別是選自谷氨酸棒桿菌(Corynebacteriumglutamicum)、枯草桿菌(Bacillussubtilis)、棉阿舒囊霉菌(Ashbyagossypii)、大腸埃希氏菌(Escherichiacoli)、黑曲霉(Aspergillusniger)或者廣泛產(chǎn)堿菌(Alcaligeneslatus)、產(chǎn)琥珀酸厭氧螺菌(Anaerobiospirillumsucciniproducens)、產(chǎn)琥珀酸方夂線桿菌(ActinobacilIussuccinogenes)、德氏孚L桿菌(Lactobacillusdelbrueckii)、希賴曼氏乳桿菌(Lactobacillusleichmanni)、阿拉伯糖丙酸桿菌(propionibacteriumarabinosum)、薛氏丙酸桿菌(propionibacteriumschermanii)、費(fèi)氏丙酸桿菌(propionibacteriumfreudenreichii)、丙酸梭菌(Clostridiumpropionicum)禾Q丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)的菌株。在一個(gè)優(yōu)選具體實(shí)施方案中，發(fā)酵制得的目標(biāo)物質(zhì)是L-賴氨酸。為了進(jìn)行發(fā)酵，這里可以使用例如Pfefferle等、上述引文和US3，708,395中所述的類似條件和步驟。原理上，可以使用連續(xù)或間歇(分批或者補(bǔ)料-分批)操作方式；優(yōu)選補(bǔ)料-分批操作方式。參照全玉米粉、全小麥細(xì)粉、全黑麥粉(1159型)和全黑麥細(xì)粉用三種不同酶的酶水解顯示本發(fā)明方法的可執(zhí)行性。通過壓力下過濾、離心場(chǎng)下過濾、離心場(chǎng)下沉積和洗滌除去固相(纖維部分)。由該水解物獲得的營(yíng)養(yǎng)介質(zhì)在真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮然后經(jīng)高壓鍋滅菌。這種處理過的小麥水解物作為發(fā)酵制備精細(xì)化學(xué)品的碳源的適應(yīng)性已由用菌株BrevibacteriumflavumDM1730(Georgi等2005)的，同時(shí)在間歇方法的搖瓶實(shí)驗(yàn)以及在攪拌槽中的補(bǔ)料方法中制備L-賴氨酸的實(shí)例得到證實(shí)。出人意料地發(fā)現(xiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液的對(duì)比實(shí)驗(yàn)相比，用水解物的實(shí)驗(yàn)獲得顯著改善的空時(shí)產(chǎn)率(space-timeyield)。除去的水解殘余物或者發(fā)酵殘余物通過現(xiàn)有技術(shù)己知的方法發(fā)酵。沼氣反應(yīng)器可以連續(xù)或間歇加料。當(dāng)間歇加料時(shí)，所謂的間歇原理，一次整個(gè)加滿整個(gè)消化容器。物料在底物沒有變化下消化直到所選停留時(shí)間結(jié)束。加滿之后開始產(chǎn)生氣體，達(dá)到最大值然后穩(wěn)定。停留時(shí)間過了之后，除了作為下一加料的種子物質(zhì)的殘余物之外，將容器完全清空。為了快速加滿和清空，還需要相同大小的消化容器、儲(chǔ)器(reservoir)和儲(chǔ)藏罐(storagetank)。不均勻的氣體產(chǎn)生可以通過多個(gè)以逐步分階段(phase-off)方式填充的相對(duì)小的發(fā)酵罐平衡。然而，幾個(gè)相對(duì)小的罐導(dǎo)致較高的特定成本。另一缺陷是在清空消化容器之前的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，在初級(jí)罐中的降解過程伴隨甲烷的損失。因此，對(duì)間歇工藝技術(shù)的需要非常低。然而，為了研究在底物發(fā)酵罐內(nèi)的性能及其氣體產(chǎn)率，間歇工藝被選擇用于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。優(yōu)選的發(fā)酵罐是待發(fā)酵的底物連續(xù)加入的，同時(shí)將相應(yīng)量的完全消化的底物同時(shí)泵出。結(jié)果，獲得恒定氣體產(chǎn)生的持久消化，而且，通過不斷地加入少量底物防止酸化。優(yōu)選組合水解殘余物的發(fā)酵和發(fā)酵殘余物的發(fā)酵的沼氣設(shè)備因此尤其設(shè)計(jì)成連續(xù)加料設(shè)備。厭氧降解是通過混合菌群在不同溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，在嗜熱和嗜溫方法之間存在差別。這類菌存在于來自處理設(shè)備的通常泥漿中。發(fā)現(xiàn)在溫度變化時(shí)嗜溫法比嗜熱法更穩(wěn)定。充分混合和分布高度影響厭氧降解的速度和完全性。劇烈混合降低發(fā)酵罐內(nèi)的溫度和pH梯度并且使得氣泡容易排出。同時(shí)，降低或抑制了漂浮和沉淀層的形成并且實(shí)現(xiàn)了新底物與消化過的底物的充分混合。不贊成通過高能量供給的過度混合。而且，適度循環(huán)對(duì)良好甲烷化是有益的，以防在通過剪切力對(duì)產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲垸微生物群之間的共生起副作用，這是由于否則甲垸產(chǎn)生降低。底物的停留時(shí)間是選擇沼氣反應(yīng)器的尺寸的重要參數(shù)。即使實(shí)驗(yàn)室批次試驗(yàn)中有機(jī)物的降解的理論所需的停留時(shí)間短得多，但是發(fā)現(xiàn)實(shí)際消化可更新原料和農(nóng)業(yè)肥料可以使用50-80天。引入停留時(shí)間的重要參數(shù)是所謂的消化空間速度(spacevelocity)。它是指每天加入到發(fā)酵罐中的有機(jī)干物質(zhì)的量。它以每天每1113發(fā)酵罐容積的有機(jī)干物質(zhì)的千克數(shù)計(jì)。消化空間速度的最佳化是有效操作沼氣設(shè)備的最重要點(diǎn)之一。過低的空間速度是不利的，這是由于給定的容積未被充分利用并且因此沼氣設(shè)備未產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)效益。過大的空間速度導(dǎo)致發(fā)酵過程不穩(wěn)定，這樣不利于設(shè)備的連續(xù)操作。試驗(yàn)已測(cè)定由小麥水解殘余物(纖維成份)、由發(fā)酵殘余物(過量的生物質(zhì))和由二者的混合物形成沼氣(通過所謂共發(fā)酵)。具體地說，用合適的測(cè)試設(shè)備測(cè)定沼氣潛能(biogaspotential)，即沼氣的組成和成分量。小麥水解物的消化和發(fā)酵殘余物的消化、以及共發(fā)酵的結(jié)果進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)在共發(fā)酵時(shí)特定沼氣產(chǎn)率(specificbiogasyield)比僅生物質(zhì)廢物的纖維殘余物的單獨(dú)發(fā)酵時(shí)高。出人意料地，生物質(zhì)的高蛋白質(zhì)含量對(duì)沼氣生產(chǎn)沒有副作用。本發(fā)明還提供一種在一個(gè)或多個(gè)合適點(diǎn)將權(quán)利要求l的方法中步驟d)獲得的能量/熱量引入到本發(fā)明的綜合方法中的方法(參見圖2)。也可以將制備目標(biāo)物質(zhì)的好氧發(fā)酵中獲得的生物質(zhì)加入到厭氧發(fā)酵中制得沼氣(其可利用的成分由甲垸組成)并使其在其中發(fā)酵(參見圖3)。根據(jù)圖4的方法順序提供最完全的能量開發(fā)和最完整的綜合。這里，將發(fā)酵過程中獲得的能量和熱量在一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)加入到綜合方法中，而同時(shí)在發(fā)酵階段由生物質(zhì)獲得能量。由于使用可更新原料，因此發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的綜合方法價(jià)廉。在發(fā)酵之前，將在通過酶水解加工可更新原料以得到可用于發(fā)酵的碳源中獲得的纖維廢物除去，并發(fā)酵得到通常進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成電能或熱能的沼氣。特別是，用所得能量或熱量供給至少一些工藝步驟并由此降低綜合方法的網(wǎng)絡(luò)能量需求。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中。發(fā)酵制備時(shí)獲得的生物質(zhì)作為共反應(yīng)物橫向(transversely)加入到沼氣生產(chǎn)中并因此增加沼氣產(chǎn)率。沼氣制備的共反應(yīng)物(得自目標(biāo)物質(zhì)制備的生物質(zhì))的品質(zhì)相對(duì)恒定，它反過來有利于沼氣制備的可再現(xiàn)方法體系。總體上，比已知的部分方法獲得顯著少量的廢物和副產(chǎn)物。文獻(xiàn)BlaesenM,FlaschelE,FriehsK(2006)Chem.Ing.Tech.78(3):267-272BuschR，HirthT,LieseA等(2006)Chem.Ing.Tech.78(3):219-228EderB,SchulzH(2006)Biogas—Praxis:Grundlagen,Planung，Anlagenbau，Beispiele，Wirtschaftlichkeit，3rded.,C)kobuchVerlag,StaufenGeorgiT，RittmannD,WendischW(2005)Metab，Eng.7(4):291-301IkedaM(2003)Adv.Biochem.Eng.Biotechnol.79:1-35PfefferleW,M6ckelB,BatheB,MarxA(2003)Adv.Biochem.Eng.Biotechnol.79:59-112LyonsTP(2003)pp,1-7in:JacquesKA等(eds.)Thealcoholtextbook,她ed.NottinghamUniversityPress,NottinghamMulderR(2003)Biologicalwastewatertreatmentforindustrialeffluents:technologyandoperation,PaquesB.V.，BalkViestursU,DubrovskisV,SakseA,RuklishaM(1987)Proc,Latv.Acad.Sci.8(481):圖l是本發(fā)明的一具體實(shí)施例示意圖；圖2是本發(fā)明的另一具體實(shí)施例示意圖；圖3是本發(fā)明的再一具體實(shí)施例示意圖；圖4是本發(fā)明的又一具體實(shí)施例示意圖；圖5是在水解中質(zhì)量平衡、固體殘余物、葡萄糖部分的完整性的圖示；圖6是從水解殘余物形成的氣體的分析圖；圖7是共發(fā)酵中產(chǎn)生的壓力的分析圖。具體實(shí)施方式實(shí)驗(yàn)說明1，表l:所用酶SpirizymePlus(淀粉葡萄糖苷酶)Novozymes，DenmarkTermamylSC(oc-淀粉酶)Novozymes，DenmarkShearzyme500L(木聚糖酶)Novozymes,DenmarkBAN(a-淀粉酶)Novozymes,Denmark2.酶水解2丄米粉(全玉米粉)、小麥粉(全小麥細(xì)粉)和黑麥粉(全黑麥粉和全黑麥細(xì)粉)經(jīng)酶促水解。為此，將300g粉懸浮于610ml水中(33。/。w/w)。所用攪拌器容器是BraunB-DCU生物反應(yīng)器，帶有pH電極、溫度控制、廢氣冷卻器、盤攪拌器和導(dǎo)流板(baffle)。就懸浮、液化和糖化階段而言，添加表l所列的酶并設(shè)定適當(dāng)參數(shù)(參見表2)。使用2.5M的硫酸調(diào)整pH。用YSI的7100MBS儀器測(cè)定上清液的葡萄糖含量。反應(yīng)在液化步驟開始后的約28小時(shí)結(jié)束。表2水解參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>':僅》2-.僅》M、麥和黑麥粉f黑麥粉2.2洗滌分批從固體殘余物中洗滌出葡萄糖。就每一批次而言，將混合物再次懸浮于去離子水中并離心。當(dāng)在洗滌水中測(cè)定的葡萄糖低于起始濃度的1%時(shí)結(jié)束洗滌操作。2.3濃縮全小麥細(xì)粉、全黑麥粉和全黑麥細(xì)粉的水解物在真空蒸發(fā)器中濃縮。在不同溫度和施加壓力下進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定濃縮步驟之前和之后溶液中葡萄糖的質(zhì)量濃度。2.4滅菌對(duì)濃縮全小麥細(xì)粉/葡萄糖溶液進(jìn)行滅菌實(shí)驗(yàn)。就每一實(shí)驗(yàn)而言，將7g溶液稱重到一IOOml玻璃瓶中。在容積75l的滅菌鍋中，確定適當(dāng)?shù)谋３謺r(shí)間和滅菌溫度。操作期間，用數(shù)據(jù)記錄器記錄滅菌鍋的溫度和壓力數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將用作不同實(shí)驗(yàn)的比較。使用分光光度計(jì)記錄溶液在200nm-800nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸光度。3.物料平衡物料平衡是用于確定單位原料用量的葡萄糖的產(chǎn)率。確定回收值(recoveryvalue)并顯示該平衡的完整性。它包括溶液中固體殘余物的定量化以及蛋白質(zhì)、脂類、戊聚糖、葡萄糖和其它糖的比例的定量化。作為物料平衡的基礎(chǔ)，測(cè)定所用粉中殘留水分含量、戊聚糖含量和淀粉含量。分析水解物的水相的蛋白質(zhì)含量。分析全玉米粉水解物的含水上清液。蛋白質(zhì)濃度是0.66mg/ml。這相應(yīng)于粉重量的0.05%。因此可以假定僅可忽略量的蛋白質(zhì)進(jìn)入溶液，即測(cè)定的蛋白質(zhì)可以歸因于加入的酶。為了對(duì)比，玉米粉的蛋白質(zhì)含量是9.2%;因此可以推測(cè)固體殘余物中的蛋白質(zhì)含量。圖5顯示了回收值。對(duì)于全小麥細(xì)粉、WWM而言，物料平衡的完整性具有最佳值98%。對(duì)于全黑麥粉和全黑麥細(xì)粉、WRF和WRM而言，完整性分別是90.2%、和83.5%和81%。該圖還顯示了固體殘余物的體積比的關(guān)系。全小麥細(xì)粉的固體殘余物相對(duì)最小。這也意味著上清液中的葡萄糖含量最高。就全玉米粉、全黑麥粉和全黑麥細(xì)粉水解物而言，上清液中葡萄糖和固體含量之比相似。固體體積越大，發(fā)現(xiàn)上清液中葡萄糖越少。這意味著固體中包含葡萄糖溶液。4.去除固體的實(shí)驗(yàn)對(duì)全小麥細(xì)粉、全黑麥粉、全黑麥細(xì)粉和全玉米粉的水解懸液進(jìn)行離心實(shí)驗(yàn)。樣品在刻度容器中于4800RCF下離心20min(Miniftige;Heraeus)。在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中，研究了全小麥細(xì)粉水解物中去除固體的狀態(tài)(表3)。4.1懸液的性能<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>細(xì)粉的化學(xué)組成元素分析水解物的緩沖作用用1M鹽酸滴定PH電極；Mettler-Toledo4.2過濾懸液在可以施加壓力的過濾器單元中過濾。過濾器面積是20cm2?？梢杂门悸?lián)測(cè)定系統(tǒng)^11&31631@;BOKELA)通過平衡記錄流量。過濾結(jié)束之后，測(cè)定濾餅厚和濾餅的干物質(zhì)含量。4.3過濾器離心在離心場(chǎng)中(Megafiige1.0;Heraeus)在過濾器杯于1500g的旋轉(zhuǎn)指數(shù)(spinindex)和l-10分鐘的時(shí)間下過濾。此外，改變溫度和pH(參見結(jié)果和討論)。過濾器面積是15cm2。該操作結(jié)束之后，測(cè)定濾餅厚和濾餅的干物質(zhì)含量。4.4沉淀在離心場(chǎng)下在IOml的刻度離心瓶中進(jìn)行沉淀。每種情況下旋轉(zhuǎn)指數(shù)是3000g。改變pH、溫度和離心時(shí)間。測(cè)定上清液和固相的體積比，以及固相的干物質(zhì)含量。4.5由水解殘余物形成沼氣通過OxiTop⑧-Control測(cè)試系統(tǒng)在試驗(yàn)室規(guī)模下測(cè)定沼氣的量及其甲醇含量。該測(cè)定是基于測(cè)定瓶中形成沼氣導(dǎo)致壓力上升(圖6)。首先，測(cè)定所用測(cè)定瓶的氣體空間的容積，包括所有內(nèi)部的(橡膠塞、磁攪拌器棒)。將恒溫室調(diào)整至35'C并安裝攪拌板。將所用自來水和新鮮的消化漿液用氮?dú)饷摎鈳追昼娨猿ゴ嬖诘难?，并加熱?5"C。開始實(shí)驗(yàn)之前，消化漿液排氣(exhaust)l-5天。將該測(cè)定瓶放置在帶有磁攪拌器棒的感應(yīng)攪拌器系統(tǒng)并加入400ml制得的自來水。之后，加入尤其由纖維部分組成的稱重的水解殘余物，并通過用氮噴射瓶子保證基本上厭氧環(huán)境。裝有消化漿液的容器同樣用氮噴射。攪拌之后，用管子將其50m瞎移到測(cè)定瓶。測(cè)定pH之后，用稀鹽酸或氫氧化鈉溶液(0.5mol/l)將其校正至約pH7±0.2。將瓶子密封，并在測(cè)定頭(measurementheads)活化之后，在攪拌(約130rpm)下于暗處在35T下培養(yǎng)?？紤]到消化漿液本身形成的氣體，也開始沒有水解殘余物的實(shí)驗(yàn)(表4的實(shí)驗(yàn)19)。通過理想氣體法則形成評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)用壓力p[Pa]、溫度r[K]、通用氣體常數(shù)及[J/(mol'K)]和瓶子的氣體體積F[m3]，因此可以計(jì)算形成的氣體量w[mol]。形成的氣體量的結(jié)果匯總于表4:<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>由水解殘余物形成的氣體量中甲烷和二氧化碳的含量對(duì)實(shí)驗(yàn)號(hào)22、23和24而言在84%-93%之間。4.6由水解殘余物和得自(目標(biāo)產(chǎn)物)發(fā)酵的生物質(zhì)共發(fā)酵形成沼氣與4.5進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)。獲得的干物質(zhì)的總量是來自于發(fā)酵殘余物的占39%，來自于水解殘余物的占61%。該表顯示了以體積百分比計(jì)的甲烷和二氧化碳含量，還顯示了減去參照樣品本身形成的氣體的絕對(duì)量。硫化氫含量未檢出，這是由于對(duì)水解殘余物的發(fā)酵和發(fā)酵殘余物的發(fā)酵的而言，該值都低于氣相色譜閾值0.05體積％。表5:共發(fā)酵時(shí)甲烷和二氧化碳的量<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>4.7單-和共發(fā)酵的對(duì)比將單發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中按比例加入氣體量時(shí)甲烷的絕對(duì)量3551(STP)/kgoDS(標(biāo)準(zhǔn)升/kgoDS(所用有機(jī)干物質(zhì)))與共發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中的4301(STP)/kgoDS相比較顯示，共發(fā)酵可以獲得顯著高的基于質(zhì)量的甲烷量。因此共發(fā)酵優(yōu)于單發(fā)酵。4.8水解物的降解度降解度顯示在給定停留時(shí)間內(nèi)有多少百分比的有機(jī)干物質(zhì)降解。為了該計(jì)算，將測(cè)定的甲烷和二氧化碳的摩爾量轉(zhuǎn)變成重量并以所用底物量為基礎(chǔ)。表6顯示計(jì)算的水解殘余物的降解度。表6:水解殘余物的降解度<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>它顯示了兩個(gè)樣品非常一致并且平均值為54%。作為偶聯(lián)沼氣生產(chǎn)與水解步驟的結(jié)果，這樣使得要處理掉的水解殘余物(有機(jī)干物質(zhì))的量降低54%。4.9水解、發(fā)酵和沼氣生產(chǎn)的偶聯(lián)該實(shí)例以容積為100，000t/a葡萄糖當(dāng)量的水解設(shè)備為基礎(chǔ)。該設(shè)備與制備L-賴氨酸的發(fā)酵設(shè)備偶聯(lián)。制得的葡萄糖溶液濃縮至發(fā)酵所需的濃度并滅菌。這些操作耗能很大。這種設(shè)備的能量需求約為625GWh/a。沼氣生產(chǎn)(共發(fā)酵)產(chǎn)生約47.6GWh/a的電和約52.3GWh/a的熱量。就目前實(shí)例而言，與發(fā)酵制備目標(biāo)產(chǎn)物偶聯(lián)的水解的約l/6的總能量需求由本發(fā)明的沼氣生產(chǎn)提供。權(quán)利要求1.綜合利用酶水解可更新原料獲得的溶液和固體的能量和物料含量的方法，包括a)制備包含至少一種可被微生物利用的碳源的含水水解混合物，所述微生物用于從可更新原料通過酶水解制備目標(biāo)物質(zhì)，b)使用所述含水混合物作為碳源通過發(fā)酵制備優(yōu)選具有至少3個(gè)碳原子或者至少2個(gè)碳原子和至少1個(gè)氮原子的目標(biāo)物質(zhì)，其中c)在步驟b)之前，去除步驟a)獲得的水解混合物中的固體成分，和d)所述固體成分經(jīng)過厭氧共發(fā)酵用于制備沼氣。2.如權(quán)利要求l所述的方法，其中所得沼氣被收集、燃燒和轉(zhuǎn)變成熱能和/或電能。3.如權(quán)利要求1和2所述的方法，其中所得熱能和/或電能用于所述方法的一個(gè)或多個(gè)工藝步驟中。4.如權(quán)利要求1和2所述的方法，其中權(quán)利要求l中步驟b)的發(fā)酵中獲得的生物質(zhì)被取出，并在權(quán)利要求l中步驟d)的厭氧共發(fā)酵中轉(zhuǎn)變成沼氣。5.如權(quán)利要求1和2所述的方法，其中a)所得熱能和/或電能用于所述方法的一個(gè)或多個(gè)工藝步驟中，和b)將權(quán)利要求l中步驟b)的發(fā)酵中獲得的生物質(zhì)在權(quán)利要求l中步驟d)的厭氧共發(fā)酵中轉(zhuǎn)變成沼氣。6.如權(quán)利要求l-5之一或多項(xiàng)所述的方法，其中所用碳源是谷物。7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中谷物選自玉米、黑麥、小麥和大麥。8.如一個(gè)或多個(gè)前面權(quán)利要求所述的方法，其中制得的目標(biāo)物質(zhì)選自任選帶有羥基的具有3-10個(gè)碳原子的有機(jī)一-、二-和三羧酸、蛋白和非蛋白氨基酸、嘌呤堿、嘧啶堿；核苷、核苷酸、脂類；飽和和不飽和脂肪酸；具有3-8個(gè)碳原子的二醇、具有3個(gè)或更多羥基的多元醇、具有至少4個(gè)碳原子的相對(duì)長(zhǎng)鏈醇、碳水化合物、芳香化合物、維生素、維生素原、蛋白質(zhì)、類胡蘿卜素、具有3-10個(gè)碳原子的酮、內(nèi)酯、生物聚合物和環(huán)糊精°9.如一個(gè)或多個(gè)前面權(quán)利要求所述的方法，其中制得的目標(biāo)物質(zhì)選自氨基酸和維生素，以及它們的前體和轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，特別是賴氨酸、甲硫氨酸、泛酸和核黃素，以及多羥基鏈烷酸酯、琥珀酸、乳酸、蘇氨酸、丙酸、丙二醇、丁醇、丙酮、色氨酸和海藻糖。10.如一個(gè)或多個(gè)前面權(quán)利要求所述的方法，其中用于發(fā)酵的微生物選自過度生產(chǎn)天然或者重組氨基酸、維生素、它們的前體和/或轉(zhuǎn)化產(chǎn)物或者多羥基鏈烷酸酯的微生物，特別是選自過度生產(chǎn)賴氨酸、甲硫氨酸、泛酸、核黃素、多羥基鏈烷酸酯、琥珀酸、乳酸、蘇氨酸、丙酸、丙二醇、丁醇、丙酮、色氨酸和海藻糖的微生物。11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述微生物選自棒桿菌屬(Corynebacterkim)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、阿舒囊霉屬(Ashbya)、埃希氏菌屬(Escherichia)、曲霉屬(Aspergillus)、產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)、放線桿菌屬(Actinobacillus)、厭氧螺菌屬(Anaerobiospirillum)、乳桿菌屬(Lactobacillus)、丙酸桿菌屬和梭菌屬(Propionibacterium)，特別是選自谷氨酸棒桿菌(Coiynebacteriumglutamicum)、枯草桿菌(Bacillussubtilis)、棉阿舒囊霉菌(Ashbyagossypii)、大腸埃希氏菌(Escherichiacoli)、黑曲霉(Aspergillusniger)或者廣泛產(chǎn)堿菌(Alcaligeneslatus)、產(chǎn)琥珀酸厭氧螺菌(Anaerobiospirillumsucciniproducens)、產(chǎn)琥珀酸方夂線桿菌(Actinobacillussuccinogenes)、德氏乳桿菌(Lactobacillusdelbrueckii)、希賴曼氏乳桿菌(Lactobacillusleichmanni)、阿拉伯糖丙酸桿菌(propionibacteriumarabinosum)、薛氏丙酸桿菌(propionibacteriumschermanii)、費(fèi)氏丙酸桿菌(propionibacteriumfreudenreichii)、丙酸梭菌(Clostridiumpropionicum)禾口丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)的菌株。全文摘要本發(fā)明涉及一種綜合利用酶水解可更新原料獲得的水解物和固體的能量和物料含量的方法，其中所得水解液用作發(fā)酵的碳源并將未水解的固體送去用于生產(chǎn)沼氣。文檔編號(hào)C12P21/00GK101307333SQ20081008708公開日2008年11月19日申請(qǐng)日期2008年4月11日優(yōu)先權(quán)日2007年4月12日發(fā)明者A·卡勞,B·瓦爾,E·羅特爾,H·齊默爾曼,I·沙爾施密特,M·V·菲爾霍申請(qǐng)人:贏創(chuàng)德固賽有限責(zé)任公司